超临界环境对柴油机碳氢燃料液滴蒸发过程的影响

李瑞娜 胡全 张浩 吉玉清 唐纯逸

摘 要：本文分析了正十二烷（C12H26）在寬温度压力范围条件下的物理特性，探讨了柴油机液滴在超临界环境的变化规律。C12H26的粘度、密度、比热容等物理特性在临界点处发生剧烈变化，在压力为1.5MPa温度为640K时，密度将会随着温度的继续升高下降1.88mol/L，下降幅度达80%;在超临界环境中，燃油液滴蒸发不再遵循D2定律，液滴由亚临界状态的表面蒸发转变为超临界状态的扩散。

关键词：柴油机; 碳氢燃料; 超临界; 液滴蒸发

中图分类号：TK407.9        文献标识码：A         文章编号：1006-3315（2021）12-163-002

柴油机涡轮增压等高效燃烧方式使缸内温度和压力越来越高，甚至远远超过燃料的临界点，这导致燃料的物化性质就会发生剧烈变化，使柴油机缸内的雾化和燃烧大为不同。物质的压力和温度同时超过它的临界压力和临界温度的状态称为该物质的超临界状态。超临界流体是一种特殊的流体。在超临界环境下的流体不存在汽化的概念，超临界环境下蒸发过程可能不复存在。此外在喷雾处于超临界的情况下，液相燃料的表面在环境气体的加热下可能会转变为超临界流体，从而导致表面张力的消失，射流破碎过程也将不复存在，取而代之的是由气动力和黏性力主导的湍流混合过程[1]。因此，研究超临界环境中液滴蒸发具有重要意义。

1.C12H26燃料特性分析

柴油是由碳原子数为10-22的烃类混合物。考虑到柴油为混合物，为了简化分析过程，采用与柴油物理性质相近的C12H26为燃料。C12H26临界温度为658.1K，临界压力为1.82MPa。本文重点分析了其在临界点附近的物理特性的变化。

1.1C12H26的粘度分析

图1是C12H26的粘度随温度压力的变化曲线。由图可知，压力一定时，C12H26粘度变化的总体趋势是随着温度的升高而降低。而当C12H26环境压力低于临界压力时，随着温度的升高，C12H26发生相变。由液态经过固液共存区转变为气态，而当C12H26处于固液共存区时，温度与压力都不会发生变化。而随着温度的继续升高，C12H26发生相变成为超临界流体，此时粘度由于C12H26发生相变而发生突发性减小。而当C12H26压力超过临界压力时，此时升高环境温度，将会使C12H26直接由液态转变为超临界态，而不会出现气液共存的状态，此时的温度变化相对均匀，于是粘度变化相对不那么剧烈，且随着压力超过临界压力的程度而越变化越平滑。从图1中可以看出，在环境压力为1.5MPa的条件下，当温度到达640K附近时，粘度突发性减小了35uPa*s;而当环境压力为2.3MPa时，粘度的减小与环境温度的变化成正比关系，表明其随着温度的变化，C12H26由亚临界态逐步转变为超临界态。

而当温度低于临界温度时，C12H26处于亚临界状态，此时粘度随压力升高而略微降低，甚至会由于压力的升高而发生相变，由气相变化为液相。而当温度高于临界温度的时候，此时C12H26处于超临界状态，环境压力越大，分子间距越小，分子之间的摩擦也越大，从而导致粘度增加。

1.2 C12H26的密度分析

图2给出了C12H26的温度变化曲线，由图可知，压力一定时C12H26的密度随着温度的升高而降低。当压力低于临界压力时，随着环境温度的升高，C12H26经过固液共存的状态由液态转变为气态，此时密度将会突发性减小，当环境温度超过临界温度时，C12H26成为超临界流体，此时的密度随着温度的升高而缓慢减小。而当压力超过临界压力时，C12H26随着温度的升高会直接由液态转变为气态，而密度也随之发生急剧变化，但相对于处于亚临界状态的C12H26，变化发生得相对平滑。同时可以看出，当压力为1.5MPa时，随着温度升高到640K时，密度将会下降1.88mol/L，下降幅度达80%，斜率为-0.36;而当压力为2.3MPa时，当温度到达670K时粘度才下降得比较迅速，此时斜率约为-0.06，相比压力为1.5MPa时斜率减小了83%。

而随着压力的升高，C12H26密度总体呈增大的趋势，且当温度低于临界温度时，由于压力的升高，将会导致C12H26由气态经气液共存区而向液态的转变，此时的密度由于发生相变而产生剧烈变化。而由于液体难以压缩，当C12H26处于液态时，升高压强并不会对密度产生强烈影响，而温度高于临界压力时，C12H26处于气态，随着压力的增大，C12H26的比体积将会减小，而密度将会增大。

1.3 C12H26的比热容分析

图3是不同压力下C12H26比热容随温度变化曲线。由图可知，C12H26的定容比热容在C12H26处于液态时随着温度的增加而增加，当C12H26由液态变为气态时，其比热容会到达一个峰值。而后随着温度的变化，比热容将会先减小之后又缓慢增加。可以看出，峰值出现的温度随着压力的升高而越来越高，且随着压力的升高，峰值的Cv值也越来越大。当压力为1.5MPa时，温度仅为640K，峰值就已经出现，其值为525J/（mol*K），而当压力为2.3MPa时，需要环境温度达到675K，峰值才会出现，其值为547J/（mol*K）。

当环境温度不变，C12H26处于亚临界环境和超临界环境的比热容随压力的变化不同。当C12H26处于亚临界态时，比热容随着压力的升高而降低;而当C12H26为超临界态时，比热容将会随着压力的升高而升高。

2.超临界环境对液滴蒸发特性的影响

围绕高温高压环境中液滴蒸发特性的变化规律，国内外学者一般采用试验、热力学仿真等方法开展研究。马小康等[2]采用石英丝挂滴技术研究了不同温度下正丁醇、柴油及其混合燃料的蒸发特性，结果表明：与柴油相比，高温环境中正丁醇/柴油混合燃料的蒸发过程呈现三阶段蒸发特性，液滴出现气泡生成、膨胀和喷气现象，液滴直径波动剧烈。Sazhin[3]总结了液滴内部传热和蒸发过程的控制方程，提出了处理多组分液滴蒸发问题的方法。Zhang等[4]针对多组分液滴蒸发过程建立了液滴内部热传导和质量运输方程，并给出了多组分液滴物性的计算方法。在高温高压环境中，在临界点附近燃料特性出现剧烈波动，高压下的蒸发过程相对低压下的经典理论有明显偏离，蒸发速率不符合D2定律[5]。有研究表明，由正庚烷在亚/超临界环境下的气液界面性质进行的分子动力学模拟，得到了气液相密度、界面厚度及界面张力等性质随模拟分子数、截断半径及模拟温度的变化规律[6]。

3.结论

通过对C12H26燃料特性的分析，重点分析了环境对燃料物化性质的影响柴油机燃料液滴在超临界下的相变过程的影响。

环境压力和温度的变化将会导致C12H26的物理特性发生一系列的变化，特别是当C12H26以低于临界压力的环境由液态升温转变为超临界态时，物理特性的变化将会极其剧烈。

在超临界环境中，燃油液滴蒸发不在遵循D2定律，液滴由亚临界状态的表面蒸发转变为超临界状态的扩散。

基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20200910），天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开放课题（K2020-12），江苏省教育厅自然科学研究项目（20KJB470015），江苏大学2020年大学生创新训练计划项目（202010299422X）

参考文献：

[1]Oschwald M， Smith J J， Branam R， et al. Injection of fluids into supercritical environments[J]. Combustion Science and Technology， 2006， 178（1-3）： 49-100

[2]馬小康，张付军，韩恺，等.柴油、正丁醇及其混合燃料单液滴蒸发特性的试验[J]内燃机学报，2016，34（01）：48-52

[3]Sazhin S S. Advanced models of fuel droplet heating and evaporation[J]Progress in Energy and Combustion Science， 2006， 32（2）： 162-214

[4]Zhang H， Law C K. Effects of temporally varying liquid-phase mass diffusivity in multicomponent droplet gasification[J] Combustion and Flame， 2008，153（4）：593-602.

[5]肖国炜，罗开红，马骁，等.超临界环境下燃料液滴蒸发的分子动力学模拟[J]工程热物理学报，2017，38（12）：2745-2751

[6]邓磊，解茂昭.亚/超临界环境下气液界面性质的分子动力学模拟[J]工程热物理学报，2016，37（8）：1802-1807